CN110035572B - 用于开关稳压器的控制器、开关稳压器和led照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于LED照明系统的开关稳压器的控制器，其具有电流监视器、分压器、积分电路和比较器电路。电流监视器用于检测通过开关稳压器的电流感测电阻的LED电流，并产生感测电流。分压器用于接收感测电流以产生第一分压、第二分压和第三分压，其中第一分压大于第二分压，且第二分压大于第三分压。积分电路用于将第二分压与参考电压进行比较，并且相应地在其RC电路的两端产生积分电压。比较器电路用于将积分电压与第一分压和第三分压进行比较，并产生驱动信号。

Description

用于开关稳压器的控制器、开关稳压器和LED照明系统

技术领域

本发明涉及一种用于光源的开关稳压器，且特别涉及一种用于开关稳压器的控制器、开关稳压器和LED照明系统。

背景技术

LED照明系统包括开关稳压器和LED，其中开关稳压器具有控制器于其中。开关稳压器由其控制器控制以向LED提供电流。控制器包括根据电流和LED电流时间周期的有效时间周期来计算传送到LED系统的实际充电量的组件，其中LED电流时间周期是以大于50Hz的速率调制的占空比，并用以利用实际充电量来修改及提供在LED电流时间周期的未来有效时间周期要传送的期望目标充电量。

LED系统还具有多个组件，以计算LED电流时间周期的有效时间周期与传送到LED系统的实际充电量，并且LED系统还具有其他多个组件，以将用于LED电流时间周期的有效时间周期的实际充电量与期望充电量进行比较，并且在未来的有效时间周期补偿实际充电量与期望充电量之间的差。为了精确地控制期望电荷量，应妥善地控制平均的LED电流，并且有效控制LED的光强度。

不幸的是，在LED系统中使用的一些传统开关稳压器具有逻辑闸和闸极驱动器(或称为预驱动器)，因此发生延迟问题，使得不能容易地控制平均的LED电流。此外，开关稳压器中使用的电感器的电感值和LED照明系统的输入电压和输出电压(即调节器输出)的比率也可能影响平均得LED电流的控制。

请参考图1，图1是传统LED照明系统的框图。传统LED系统包括开关稳压器和LED12，其中开关稳压器是降压型稳压器，并且包括控制器10、第一电流感测电阻11、第二电流感测电阻13、齐纳二极管14和电感L。控制器10连接到第一电流感测电阻11、LED 12、第二电流感测电阻13、齐纳二极管14和电感L。第一电流感测电阻11的一端用于接收输入电压Vin，并且第一电流感测电阻11的另一端连接到电感L的一端。齐纳二极管14的阳极连接到电感L的另一端，齐纳二极管的阴极14连接到第二电流感测电阻13的一端。LED 12的阳极和阴极分别连接到第二电流感测电阻13的另一端和接地电压GND。

控制器包括误差信号产生电路101、快速电流监测器102、迟滞控制器103、电阻104、迟滞比较器105、闸极驱动器106和NMOS开关晶体管107。快速电流监测器102并联连接第一电流感测电阻11，以感测第一电流感测电阻11两端的电压并相应地产生第一感测电流。误差信号发生电路101并联连接第二电流感测电阻13，以感测第二电流感测电阻13两端的电压，并产生相应的误差信号，其中误差信号表示期望的稳压器输出和实际的稳压器输出之间的误差。

迟滞控制器103连接到迟滞比较器105的负输入端和输出端，迟滞比较器105的正输入端和迟滞控制器103接收参考电压Vref，使得迟滞控制器103和迟滞比较器105形成用于控制NMOS开关晶体管107的导通/截止状态的迟滞比较电路。迟滞比较器105的负输入端还接收电阻104两端的电压，其中电阻104的两端分别连接迟滞控制器103分别连接迟滞比较器105的负输入端与接地电压GND，以及电阻104两端间的电压是根据误差信号、第一感测电流与迟滞控制器103输出的迟滞控制信号而形成。闸极驱动器106用于接收迟滞比较器105的输出信号，以产生送到NMOS开关晶体管107的闸极端的驱动信号。NMOS开关晶体管107的漏极端和源极端分别连接到电感L的另一端和接地电压GND。

误差信号产生电路101包括积分器1011、精确电流监视器1012、减法单元1013和需求电流源1014。精确电流监视器1012并联连接第二电流感测电阻13，用于感测跨越第二电流感测电阻13的电压，以便相应地产生第二感测电流。减法单元1013连接到积分器1011和需求电流源1014，用于将第二感测电流减去需求电流以产生送到积分器1011的减法电流。需求电流源1014用于接收参考电压Vref，以相应地产生需求电流。积分器1011还连接到迟滞比较器105的负输入端，并用于对减法电流进行积分以产生误差信号。误差信号是需求电流和第二感测电流的差异的积分，这意味着误差信号表示所需的稳压器输出和实际的稳压器输出之间的误差。

注意，尽管传统的开关稳压器及其控制器10可以解决上述影响平均LED电流的问题，但是需要两个电流监视器(即，快速监视器102和精确电流监视器1012)，因此增加电路硬件成本，特别是精确电流监视器1012的成本。具更简单的电路的开关稳压器及其控制器仍然被市场所需求。

发明内容

本发明的示范实施例提供了一种用于LED照明系统的开关稳压器的控制器，其具有电流监视器、分压器、积分电路和比较器电路，其中分压器连接电流监视器，积分电路连接分压器，以及比较器电路连接积分电路与分压器。电流监视器用于检测通过开关稳压器的电流感测电阻的LED电流，并产生感测电流。分压器用于接收感测电流以产生第一分压、第二分压和第三分压，其中第一分压大于第二分压，且第二分压大于第三分压。积分电路用于将第二分压与参考电压进行比较，并且相应地在其RC电路的两端产生积分电压。比较器电路用于将积分电压与第一分压和第三分压进行比较，并产生驱动信号。。

本发明的示范实施例还提供了包括前述控制器的开关稳压器。

本发明的示范实施例还提供了包括前述开关稳压器的LED照明系统。

综上所述，所提供的用于LED照明系统的开关稳压器的控制器可以解决实际的平均LED电流偏离期望的平均LED电流的问题。

为了进一步理解本发明的技术、手段和效果，可以参考以下详细描述和附图，从而可以彻底和具体地理解本发明的目的、特征和概念。然而，以下详细描述和附图仅用于参考和说明本发明的实现方式，其并非用于限制本发明。

附图说明

提供的附图用以使本发明所属技术领域的本领域技术人员可以进一步理解本发明，并且被并入与构成本发明的说明书的一部分。附图示出了本发明的示范实施例，并且用以与本发明之说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是传统LED照明系统的框图。

图2是本发明示范实施例的用于LED照明系统中的开关稳压器的控制器的示意图。

图3是使用本发明示范实施例提供的控制器的实际LED电流与不使用前述控制器的非理想LED电流的波形图。

符号说明：

10：控制器

101：误差信号产生电路

1011：积分器

1012：精确电流监视器

1013：减法单元

1014：需求电流源

102：快速电流监测器

103：迟滞控制器

104：电阻

105：迟滞比较器

106：闸极驱动器

107：NMOS开关晶体管

11：第一电流感测电阻

12、LD1：LED

13：第二电流感测电阻

14：齐纳二极管

20：LED照明系统

21：电流监视器

22：分压器

23：积分电路

24：比较器电路

25：逻辑电路

26：齐纳二极管

A1～A4：区域

Avg_Current：期望的电流值

C1：电容

CMP1：比较器

CUV1：理想的LED电流曲线

CUV2、CUV3：非理想的LED电流曲线delay1：导通延迟

delay2：截止延迟

GND：接地电压

K：比值

L、L1：电感

M1：NMOS晶体管

M2：NMOS开关晶体管

OP1、OP2：运算放大器

R1～R5：电阻

Rs：电流感测电阻

Vin：输入电压

Vref：参考电压

Vs：电流感测电阻Rs的两端的电压

Vs_avg：Vs的平均电压

Vx：稳压器输出

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范实施例，其示范实施例会在附图中被绘示出。在可能的情况下，在附图和说明书中使用相同的组件符号来指代相同或相似的部件。

本发明的示范实施例提供了一种用于LED照明系统中的开关稳压器(注：开关稳压器可以是降压型稳压器)的控制器。控制器具有电流监视器、分压器、积分电路和比较器电路。电流监视器并联连接电流检测电阻，其中电流感测电阻用以感测通过LED的LED电流。分压器连接电流监视器，并用以接收电流监视器的感测电流输出。分压器用于根据感测电流产生第一分压、第二分压和第三分压，其中第一分压大于第二分压，且第二分压大于第三分压。

积分器电路连接到分压器和比较器电路，并且用于比较第二分压和参考电压，以在具有串联连接的电阻和电容的RC积分电路的两端产生积分电压。比较器电路连接到分压器，并将积分电压与第一分压和第三分压进行比较，以产生驱动信号以控制NMOS开关晶体管来调节LED电流。

通过使用积分电路，可以减少对期望的平均LED电流的非理想效应。具体来说，逻辑电路的延迟、电感的电感值以及LED照明系统的输入电压和输出电压(即稳压器输出)的比例等影响(即存在非理想效应)可以被补偿，使得实际的平均LED电流近似于所需的平均电流。此外，通过使用积分电路，LED的正向电压对实际的平均LED电流没有影响。

请参照图2，图2是本发明示范实施例的用于LED照明系统中的开关稳压器的控制器的示意图。图2的LED照明系统20包括开关稳压器和LED LD1，其中开关稳压器连接到LEDLD1，并用以调节通过LED LD1的LED电流。

开关稳压器包括控制器、电流感测电阻Rs、电感L1和齐纳二极管26。所述控制器包括电流监视器21、分压器22、积分电路23、比较器电路24、逻辑电路25和NMOS开关晶体管M2。控制器用于控制开关稳压器来调节LED电流，使得实际的平均LED电流为预期者。

输入电压Vin施加在电流感测电阻Rs的一端。LED LD1的阳极连接到电流感测电阻Rs的另一端，LED LD1的阴极连接到电感L1的一端。齐纳二极管26的阳极和阴极分别连接到电感L1的另一端和电流感测电阻Rs的该一端。电感L1的另一端用于产生稳压器输出Vx。

电流感测电阻Rs并联连接电流监视器21，即电流感测电阻Rs的两端连接到电流监视器21的输入端。分压器22连接到电流监视器21的输出端。积分器电路23的两个输入端分别连接到分压器22的内部端并施加参考电压K*Vs_avg，其中K是常数，Vs_avg是电流感测电阻Rs的两端的电压Vs的平均电压值。比较器电路24的三个输入端分别连接到分压器22的输入端、分压器22的另一个内部端和积分器电路23的输出端。

逻辑电路25的输入端和输出端分别连接到比较器电路24的输出端和NMOS开关晶体管M2的闸极端，NMOS开关晶体M2的漏极端和源极端分别连接到电感L1的另一端和接地电压GND。

电流监视器21用于接收电流感测电阻Rs两端的电压Vs，因此通过电流检测电阻Rs的LED电流可以被电流监视器21所感测。如此，电流监视器21可以依据LED电流输出感测电流。电流监视器21可以由电阻R1、运算放大器OP1和NMOS晶体管M1来实现，但本发明不限于此。

电阻R1的一端与电流感测电阻Rs的该一端连接，运算放大器OP1的正输入端和负输入端分别连接电流感测电阻Rs的另一端与电阻R1的另一端。运算放大器OP1的输出端连接到NMOS晶体管M1的闸极端，NMOS晶体管M1的漏极端和源极端分别连接到电阻R1的该另一端和分压器22的输入端。

通过上述电流监视器21的组件的连接方式，负反馈回路存在于电流监视器21中，因此感测电流实际上大约是Vs/R1。分压器22用于接收感测电流，并在其输入端和两个内部端产生第一分压、第二分压和第三分压，其中第一分压大于第二分压，第二分压大于第二分电压。

分压器22可以由串联的电阻R1、R2和R3来实现，并且本发明不限于此。实际上，第一分压大约是(Vs/R1)*(R1+R2+R3)，第二分压实际上大约是(Vs/R1)*(R2+R3)，第三分压实际上大约是(Vs/R1)*R3。当电阻R1、R2与R3经适当设计时，第一分压、第二分压和第三分压分别约为1.1K*Vs、K*Vs和0.9K*Vs，其中K为(R2+R3)/R1的比值。

积分电路23将第二分压(即K*Vs)与参考电压K*Vs_avg进行比较，并根据比较结果产生积分电压。具体地说，当第二分压比参考电压大时，正电压会施加在积分电路23的RC电路上，使得RC电路的两端的积分电压增加；当第二分压不大于参考电压时，负电压会施加在积分器电路23的RC电路上，使得RC电路的两端的积分电压降低。

积分电路23可以由运算放大器OP2、电阻R5和电容C1来实现。电阻R5和电容C1串联连接以形成RC电路。运算放大器OP2的正输入端连接到分压器22的内部端以接收第二分压，运算放大器OP2的负输入端施加参考电压K*Vs_avg，运算放大器OP2的输出端连接到比较器电路24的正输入端。电阻R5的一端连接到运算放大器OP2的输出端，电容C1的两端分别连接到电阻R5的另一端和接地电压GND。

比较器电路24将积分电压与第一和第二分压进行比较，从而输出驱动信号。比较器电路24可以由具有两个负输入端和一个正输入端的比较器CMP1来实现，并且本发明不限于此。比较器CMP1的两个负输入端分别连接到分压器22的输入端和其另一个内部端，比较器CMP1的正输入端连接到积分电路23的输出端。比较器CMP1的输出端连接到逻辑电路25的输入端。

具有多个逻辑闸的逻辑电路25用于接收驱动信号并相应地在其输出端产生开关信号，以便控制NMOS开关晶体管M2的导通/截止状态。当积分电压小于第三分压时，NMOS开关晶体M2截止，LED电流增加。当积分电压大于第一分压时，NMOS开关晶体管M2导通，LED电流降低。

请参照图3，图3是使用本发明示范实施例提供的控制器的实际LED电流与不使用前述控制器的非理想LED电流的波形图。非理想LED的电流曲线CUV2显示NMOS开关晶体管M2的导通和截止延迟delay1、delay2会影响平均LED电流。在此请注意，导通延迟delay1和截止延迟delay2彼此不相同，并且第3图中所示的区域A1和A2彼此不相同，使得实际的平均LED电流不能是期望的电流值Avg_Current。

进一步考虑到LED照明系统的输入电压和输出电压(即稳压器输出Vx)的比例，非理想LED电流可被非理想LED电流曲线CUV3所表示，其中当NMOS开关晶体管M2截止时，非理想的LED电流曲线CUV3的斜率为(Vin-Vout)/L，并且当NMOS开关晶体管M2导通时，非理想的LED电流曲线CUV3的斜率为Vout/L。应注意的是，由于上述多个影响彼此不相同，图3所示的区域A3和A4会彼此相同，所以实际的平均LED电流不为期望的电流值Avg_Current。然而，通过使用积分电路，可以减少对期望的平均LED电流的非理想效应，并且实际的LED电流曲线可以类似于理想的LED电流曲线CUV1。

因此，在本发明的示范实施例中，所提供的用于LED照明系统的开关稳压器的控制器可以解决实际的平均LED电流偏离期望的平均LED电流的问题。延迟、输入电压、稳压器输出，甚至LED的正向电压都不会影响实际的平均LED电流。

上述描述仅仅是本发明的示范实施例，而不意图限制本发明的范围。因此，基于本发明的权利要求的各种等效的改变、替代或修改都被视为被本发明的范围所包含。

Claims (10)

1.一种用于LED照明系统的开关稳压器的控制器，其特征在于，包括：

电流监视器，用于感测通过该开关稳压器的电流感测电阻的LED电流，并产生感测电流；

分压器，连接到该电流监视器，用于接收该感测电流以产生第一分压、第二分压和第三分压，其中该第一分压大于该第二分压，该第二分压大于该第三分压；

积分电路，连接到该分压器，用于将该第二分压与参考电压进行比较，并相应地在其RC电路的两端产生积分电压；以及

比较器电路，连接到该积分电路和该分压器，用于将该积分电压与该第一分压和该第三分压进行比较，并产生调节该LED电流的驱动信号。

2.如权利要求1的控制器，其特征在于，该电流监视器包括：

第一电阻，其一端连接到输入电压和该电流感测电阻的一端；

第一运算放大器，其正输入端连接到该电流感测电阻的另一端，其负输入端连接到该第一电阻的另一端；以及

NMOS晶体管，其漏极端连接到该第一电阻的另一端，其源极端连接到该分压器，其闸极端连接到该第一运算放大器的一输出端。

3.如权利要求1的控制器，其特征在于，该分压器包括以串联连接的第二电阻、第三电阻和第四电阻。

4.如权利要求1的控制器，其特征在于，该积分电路包括该RC电路和第二运算放大器，其中该第二运算放大器的正输入端用于接收该第二分压，该第二运算放大器的负输入端用于接收该参考电压，以及该第二运算放大器的输出端连接到该RC电路。

5.如权利要求1的控制器，其特征在于，该比较器电路包括具有正输入端和两个负输入端的比较器，其中该比较器的该正输入端用于接收该积分电压，并且该比较器的两个负输入端用于接收该第一分压与该第二分压。

6.如权利要求4的控制器，其特征在于，还包括：

逻辑电路，连接到该比较器电路，用于接收该驱动信号，并相应地产生开关信号；以及

NMOS开关晶体管，其闸极端用于接收该开关信号，其漏极端连接该开关稳压器的电感，其中该LED照明系统的该LED连接在该电流感测电阻和该电感之间。

7.如权利要求6的控制器，其特征在于，当该第二分压大于该参考电压时，该积分电压增加；当该第二分压不大于该参考电压时，该积分电压降低；当该积分电压大于该第一分压时，该NMOS开关晶体管导通，该LED电流降低；当该积分电压小于该第三分压时，该NMOS开关晶体管截止，该LED电流增加。

8.一种用于LED照明系统的开关稳压器，其特征在于，包括：

如权利要求1～7项中任意一项的该控制器；

该电流感测电阻，其一端用于接收输入电压，其另一端连接到该LED照明系统的该LED的阳极；

电感，其一端连接到该LED的阴极；以及

其中该控制器连接到该电流感测电阻和该电感的另一端。

9.如权利要求8项的开关稳压器，其特征在于，还包括：

齐纳二极管，其阳极和阴极分别连接到该电感的另一端和该电流感测电阻。

10.一种LED照明系统，其特征在于，包括：

LED；以及

开关稳压器，包括：

如权利要求1～7项中任意一项的该控制器；

该电流感测电阻，其一端用于接收输入电压，其另一端连接到该LED照明系统的该LED的阳极；

电感，其一端连接到该LED的阴极；以及

齐纳二极管，其阳极和阴极分别连接到该电感的另一端和该电流感测电阻；

其中该控制器连接到该电流感测电阻和该电感的另一端。

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